现代预焙铝电解槽为一个典型多场作用下的多相流系统,具备明显的涡运动特征,其运动形态及相间物质输运直接关系电解槽能耗。本文旨在建立合理可靠的数学模型,进行全面而细致的铝电解槽多组分多相流场研究,揭示槽内流体运动和氧化铝输运过程的规律,为现代大型铝电解槽的结构设计和工艺优化提供重要的理论基础和技术手段。本论文在国家自然科学基金项目的资助下,针对当前国内外铝电解槽流场研究中缺乏定量的涡结构解析方法且对氧化铝输运过程的研究不够深入等缺陷,提出了一种涡分析方法,同时建立较为完善的用于模拟铝电解槽内氧化铝输运过程的数学模型,并成功应用于实际铝电解槽的熔体运动分析与下料点配置的设计等领域。论文的主要工作及成果如下：(1)针对铝电解槽内熔体呈现明显涡运动的特点,提出并使用涡量法和旋转强度法实现了电解质-铝液-阳极气泡三相流场涡结构流动形态的精确定量解析。结果表明电解质的涡运动受阳极气泡和电磁力的共同作用,但二者的作用特点有所不同：阳极气泡溢出过程的搅动作用导致阳极周围成对出现较小尺度的涡且其垂直涡量呈现反向对称的特点；而电磁力则导致部分阳极底掌区域出现较大尺度的涡,电磁场的不均匀分布导致了涡结构的不对称性。(2)建立了铝电解槽内氧化铝输运过程的多组分多相流瞬态模型,实现了全槽氧化铝浓度分布情况的瞬态解析。计算发现氧化铝输运受熔体流动推动,其分布呈漩涡状特点,并具有显著的时间性和槽内空间性差异。单因素研究表明阳极气泡作用是促进氧化铝输运的主要推动力；而电磁力的作用强度虽不及阳极气泡,但其影响范围更为广泛,可推动氧化铝输运至全槽的各个区域。(3)对大型预焙铝电解槽下料点的优化配置进行了仿真对比研究,并以此提出下料器配置准则。仿真结果表明,氧化铝下料点处于阳极中缝与间缝的交叉位置时可有效利用阳极气泡的搅动作用击碎氧化铝料堆从而有助于氧化铝的及时分散；而将下料点布置在电解质流场中较大尺寸的涡的边缘且流线密集的区域,则有利于氧化铝向全槽的较大范围进行输运。